Les physiciens ont démontré une nouvelle façon d'obtenir les détails essentiels qui décrivent un système quantique isolé, comme un gaz d'atomes, par observation directe. La nouvelle méthode donne des informations sur la probabilité de trouver des atomes à des emplacements spécifiques dans le système avec une résolution spatiale sans précédent. Avec cette technique, les scientifiques peuvent obtenir des détails sur une échelle de dizaines de nanomètres, plus petite que la largeur d'un virus.

Expériences réalisées au Joint Quantum Institute (JQI), un partenariat de recherche entre le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Maryland, utilisez un réseau optique - un réseau de lumière laser qui suspend des milliers d'atomes individuels - pour déterminer la probabilité qu'un atome puisse se trouver à un endroit donné. Parce que chaque atome du réseau se comporte comme tous les autres, une mesure sur l'ensemble du groupe d'atomes révèle la probabilité qu'un atome individuel se trouve en un point particulier de l'espace.

Publié dans la revue Examen physique X , la technique JQI (et une technique similaire publiée simultanément par un groupe de l'Université de Chicago) peut donner la probabilité que les atomes se trouvent bien en dessous de la longueur d'onde de la lumière utilisée pour illuminer les atomes, soit 50 fois mieux que la limite de ce que la microscopie optique peut normalement résoudre.

"C'est une démonstration de notre capacité à observer la mécanique quantique, " a déclaré Trey Porto de JQI, l'un des physiciens à l'origine de l'effort de recherche. "Cela n'a pas été fait avec des atomes avec une telle précision."

Pour comprendre un système quantique, les physiciens parlent fréquemment de sa « fonction d'onde ». Ce n'est pas seulement un détail important; c'est toute l'histoire. Il contient toutes les informations dont vous avez besoin pour décrire le système.

"C'est la description du système, " a déclaré le physicien JQI Steve Rolston, un autre des auteurs de l'article. "Si vous avez les informations sur la fonction d'onde, vous pouvez calculer tout le reste, comme le magnétisme de l'objet, sa conductivité et sa probabilité d'émettre ou d'absorber de la lumière."

Alors que la fonction d'onde est une expression mathématique et non un objet physique, la méthode de l'équipe peut révéler le comportement décrit par la fonction d'onde :les probabilités qu'un système quantique se comporte d'une manière par rapport à une autre. Dans le monde de la mécanique quantique, la probabilité est tout.

Parmi les nombreux principes étranges de la mécanique quantique, il y a l'idée qu'avant de mesurer leurs positions, les objets peuvent ne pas avoir un emplacement précis. Les électrons entourant le noyau d'un atome, par exemple, ne voyagez pas sur des orbites planétaires régulières, contrairement à l'image qu'on enseignait à certains d'entre nous à l'école. Au lieu, ils agissent comme des vagues ondulantes, de sorte qu'un électron lui-même ne peut pas être considéré comme ayant un emplacement défini. Plutôt, les électrons résident dans des régions floues de l'espace.

Tous les objets peuvent avoir ce comportement ondulatoire, mais pour tout ce qui est assez grand pour être vu à l'œil nu, l'effet est imperceptible et les règles de la physique classique sont en vigueur - on ne remarque pas les bâtiments, des seaux ou de la chapelure s'étalant comme des vagues. Mais isolez un petit objet comme un atome, et la situation est différente parce que l'atome existe dans un domaine de taille où les effets de la mécanique quantique règnent en maître. Il n'est pas possible de dire avec certitude où il se trouve, seulement qu'il sera trouvé quelque part. La fonction d'onde fournit l'ensemble des probabilités que l'atome se trouve à un endroit donné.

La mécanique quantique est assez bien comprise - par les physiciens, de toute façon—que pour un système assez simple, les experts peuvent calculer la fonction d'onde à partir des premiers principes sans avoir besoin de l'observer. De nombreux systèmes intéressants sont compliqués, bien que.

"Il y a des systèmes quantiques qui ne peuvent pas être calculés parce qu'ils sont trop difficiles, " a déclaré Rolston, comme des molécules composées de plusieurs gros atomes. " Cette approche pourrait nous aider à comprendre ces situations. "

Comme la fonction d'onde ne décrit qu'un ensemble de probabilités, comment les physiciens peuvent-ils avoir une image complète de ses effets en peu de temps ? L'approche de l'équipe consiste à mesurer un grand nombre de systèmes quantiques identiques en même temps et à combiner les résultats en une seule image globale. C'est un peu comme rouler 100, 000 paires de dés en même temps—chaque lancer donne un seul résultat, et contribue un seul point sur la courbe de probabilité montrant les valeurs de tous les dés.

Ce que l'équipe a observé, ce sont les positions des quelque 100, 000 atomes d'ytterbium que le réseau optique suspend dans ses lasers. Les atomes d'ytterbium sont isolés de leurs voisins et limités à des allers-retours le long d'un segment de ligne unidimensionnel. Pour obtenir une image haute résolution, l'équipe a trouvé un moyen d'observer des tranches étroites de ces segments de ligne, et combien de fois chaque atome est apparu dans sa tranche respective. Après avoir observé une région, l'équipe en a mesuré un autre, jusqu'à ce qu'il ait toute l'image.

Rolston a déclaré que même s'il n'avait pas encore pensé à une "application tueuse" qui tirerait parti de la technique, le simple fait que l'équipe ait directement imagé quelque chose de central à la recherche quantique le fascine.

"Ce n'est pas tout à fait évident où il sera utilisé, mais c'est une nouvelle technique qui offre de nouvelles opportunités, " a-t-il dit. " Nous utilisons un réseau optique pour capturer des atomes depuis des années, et maintenant c'est devenu un nouveau type d'outil de mesure."